Studi Eksperimen Pengaruh Variasi Ketinggian Ground Clearance Dengan Four-Channel Diffusers Pada Bagian Belakang Bodi Bus

TESIS (TM142501)

STUDI EKSPERIMEN PENGARUH VARIASI KETINGGIAN

GROUND CLEARANCE DENGAN FOUR-CHANNEL

DIFFUSERS PADA BAGIAN BELAKANG BODI BUS

IZHARY SIREGAR NRP. 2114 202 012

Dosen Pembimbing:

Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

PROGRAM MAGISTER

BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

THESIS (TM142501)

EXPERIMENTAL STUDY OF GROUND CLEARANCE

INFLUENCES WITH FOUR-CHANNEL DIFFUSERS

ON THE REAR BUS BODY

IZHARY SIREGAR NRP. 2114 202 012

Supervisor:

Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

MASTER PROGRAM

FIELD STUDY OF ENERGY CONVERSION ENGINEERING MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY

SEPULUH NOPEMBER INSTITUT OF TECHNOLOGY SURABAYA

STUDI EKSPERIMEN PENGARUH VARIASI KETINGGIAN

GROUND CLEARANCE DENGAN FOUR-CHANNEL DIFFUSERS

PADA BAGIAN BELAKANG BODI BUS

Nama : Izhary Siregar

NRP : 2114202012

Jurusan : Teknik Mesin, FTI-ITS

Dosen Pembimbing : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

ABSTRAK

Gaya-gaya aerodinamika pada kendaraan yaitu drag dan lift merupakan

parameter penting dalam mengevaluasi performa dari kendaraan tersebut. Dalam

setiap perancangan bodi kendaraan tentunya menginginkan drag yang kecil dan

lift negatif yang besar (downforce). Hal ini sangat dibutuhkan demi meminimalisir

konsumsi bahan bakar dan kestabilan berkendara saat melaju pada kecepatan yang

tinggi. Drag yang besar didominasi oleh perbedaan tekanan antara bagian depan

dan belakang bodi (pressure drag). Fenomena ini menjadi penting dikarenakan

pressure drag yang terjadi di bagian belakang jauh lebih besar daripada bagian depan bodi. Kendaraan yang berdimensi besar seperti bus tentunya harus memiliki tenaga yang cukup kuat dalam melawan hambatan ini dibandingkan kendaraan lainnya.

Sebuah modifikasi dilakukan berupa penambahan four-channel diffusers

pada bagian belakang bodi bus (rear body) dalam rangka mereduksi hambatan

tersebut. Studi eksperimen ini dilakukan dengan pemodelan untuk mengetahui

pengaruh four-channel diffusers terhadap karakteristik aliran pada bagian rear

body dengan memvariasikan ground clearance (c/L = 0,04 ; 0,05 ; 0,06), dimana

kecepatan aliran freestream (U∞) konstan yaitu 18 m/s atau bilangan Reynolds

6,67x105 serta sudut diffuser yang digunakan adalah 80. Hasil dari penelitian ini

menunjukkan model dengan menggunakan four-channel diffusers pada c/L = 0,04

memiliki intensitas turbulensi paling besar yaitu 5,946% dan mampu mereduksi

drag yang terjadi hingga 2,16% dari model standarnya.

EXPERIMENTAL STUDY OF GROUND CLEARANCE INFLUENCES

WITH FOUR-CHANNEL DIFFUSERS ON THE REAR BUS BODY

Name : Izhary Siregar

NRP : 2114202012

Department : Mechanical Engineering, FTI-ITS

Advisor : Dr. Wawan Aries Widodo, ST., MT.

ABSTRACT

Aerodynamic forces at the vehicle likes drag and lift are important parameters to evaluation aerodynamic of a body. Each body design specific purpose to reduced drag and increase the negative lift (downforce). This condition meet a challenge in term of saving fuel, further driving distance, and better driving performance. The large drag predominance of pressure different between frontal and rear pressure body (pressure drag). This phenomena be important proceed of rear body pressure more large than frontal body pressure. The huge vehicles such as a buses must be have high power to rising up this losses as compared with other vehicle model.

A modification have been doing such as four-channel diffuser on the rear bus body to reduced that disruption. This experiment will be doing with a bus model to known influence concerning flow characteristic on rear body. The four channel diffuser performance will be improved with ground clearance variation (c/L = 0.04 ; 0.05 ; 0.06) when velocity of free stream is 18 m/s (Re = 6,67 x 105) angle of diffuser is 80 . The expectance result is to know four-channel diffusers performance before and after this device tall on the rear bus body with optimum ground clearance and to looks the aerodynamic forces effect. The result of this experiment shows that bus model with four-channel diffusers at c/L = 0,04 has turbulent intensity (IT) highest is 5,968% and able to reduced drag until 2,16% than standard model.

Keywords : Rear bus body, ground clearance, four-channel diffusers, drag coefficient

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

ABSTRAK ... ii

KATA PENGANTAR ... vi

DAFTAR ISI ... viii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR TABEL ... xii

DAFTAR SIMBOL... xiv

BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 4 1.3 Batasan Masalah ... 4 1.4 Tujuan Penelitian ... 5 1.5 Manfaat Penelitian ... 6

BAB II KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ... 7

2.1 Tinjauan Pustaka... 7

2.2 Dasar Teori ... 10

2.2.1 Konsep Boundary Layer, Separasi Aliran dan Intensitas Turbulensi ... 15

2.2.1.1 Lapisan Batas (Boundary Layer) ... 15

2.2.1.2 Separasi Aliran ... 16

2.2.1.3 Intensitas Turbulensi... 17

2.2.2 Fenomena Aerodinamika Pada Kendaraan... 18

2.2.2.2 Gaya Hambat (Drag Force) ... 19

2.2.3 Diffuser Pada Kendaraan ... 23

2.2.4 Terowongan Angin (Wind Tunnel) ... 24

BAB III METODE PENELITAN ... 27

3.1 Skema Pengujian ... 27

3.2 Benda Uji, Peralatan dan Alat Ukur Pengujian ... 29

3.2.2 Peralatan Pengujian ... 30

3.2.2 Peralatan Pendukung dan Alat Ukur Pengujian ... 31

3.3 Parameter Pengujian... 33

3.3.1 Analisa Grup tak berdimensi untuk Koefisien Drag (CD) ... 34

3.3.3 Analisa Grup tak berdimensi untuk Koefisien Tekanan (Cp) ... 35

3.4 Langkah Kerja ... 36

3.4.1 Proses Validasi Pengukuran Manometer dan Pressure Tranduser ... 36

3.4.2 Proses Pengambilan Data ... 38

3.4.3 Parameter dan Perhitungan Data Kuantitatif... 39

3.5 Flowchart Penelitian ... 42

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 45

4.1 Analisa Distribusi Tekanan Pada Midspan Bus Model ... 45

4.1.1 Distribusi Tekanan Pada Midspan Bus Model Tanpa Menggunakan Channel Diffusers ... 45

4.1.2 Distribusi Tekanan Pada Midspan Bus Model Dengan Menggunakan Four- Channel Diffusers ... 47

4.2 Profil Kecepatan Pada Bagian Belakang Bodi ... 49

4.2.1 Analisa Profil Kecepatan Dengan dan Tanpa Menggunakan Four-Channel Diffusers ... 50

4.3 Analisa Intensitas Turbulensi Pada Bagian Model Bus ... 52

4.3.1 Analisa Intensitas Turbulensi Dengan dan Tanpa Menggunakan Four- Channel Diffusers ... 53

4.4 Analisa Hasil Perhitungan Koefisien Dengan dan Tanpa Menggunakan Four- Channel Diffusers ... 54

4.5 Diskusi... 57

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 59

5.1 Kesimpulan ... 59

5.2 Saran ... 60

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Modifikasi bus model Denning Mono Mark ... 8

Gambar 2.2 Skema Pengukuran PIV ... 9

Gambar 2.3 Visualisasi hasil simulasi dengan PIV ... 9

Gambar 2.4 Grafik Hasil Simulasi (CD dan CL Vs Diffuser Angel) ... 11

Gambar 2.5 Velocity Pathline ... 11

Gambar 2.6 Model benda uji multi-channel diffusers ... 12

Gambar 2.7 Kontur rasio CL/CDmulti-channel diffusers ... 12

Gambar 2.8 Actively rear diffuser device ... 13

Gambar 2.9 Grafik nilai Cp terhadap panjang karakteristik model ... 14

Gambar 2.10 Variasi sudut diffuser pada bagian belakang mobil ... 14

Gambar 2.11 Grafik hubungan sudut diffuser terhadap koefisien drag dan lift ... 15

Gambar 2.12 Konsep boundary layer pada pelat datar ... 16

Gambar 2.13 Separasi aliran pada sebuah silinder ... 16

Gambar 2.14 Komponen gaya-gaya aerodinamika ... 18

Gambar 2.15 Variasi daya beban jalan terhadap komponen kecepatan ... 19

Gambar 2.16 Frontal pressure pada kendaraan ... 20

Gambar 2.17 Vaccum rear pada kendaraan... 21

Gambar 2.18 Diffuser multi-channels pada mobil ... 23

Gambar 2.19 Wind Tunnel ... 24

Gambar 3.1 Bus Daewoo FX 212 ... 27

Gambar 3.2 Skema pengujian ... 28

Gambar 3.3 Titik-titik pengukuran profil kecepatan ... 29

Gambar 3.4 Model bus dan pelat datar ... 30

Gambar 3.5 Skema dan dimensi wind tunnel ... 30

Gambar 3.6 Pitot static tube ... 31

Gambar 3.7 Pressure tranducer, Data logger dan Manometer ... 33

Gambar 3.8 Termometer... 33

Gambar 3.9 Skema validasi ... 37

Gambar 3.10 Grafik hasil validasi Manometer dengan Pressure Tranducer ... 38

Gambar 3.12 Flowchart pengukuran koefisien tekanan (Cp) ... 43

Gambar 3.12 Flowchart pengukuran profil kecepatan (u) ... 44 Gambar 4.1 Grafik distribusi tekanan model standar pada bagian upper dan

lower body dengan variasi ground clearance (c/L) ... 48 Gambar 4.2 Grafik distribusi tekanan pada bagian upper dan lower body dengan menggunakan four-channel diffusers ... 49 Gambar 4.3 Profil kecepatan pada bagian belakang model (x/L =115%) ... 52 Gambar 4.4 Intensitas turbulensi pada model tanpa dan dengan menggunakan four-channel diffusers ... 54 Gambar 4.6 Grafik hubungan CDt dengan variasi c/L dengan dan tanpa menggu- nakan four-channel diffusers ... 58

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu ... 7

Tabel 2.2 Hasil pengujian model bus Denning Mono Mark ... 8

Tabel 2.3 Spesifikasi variasi dimensi actively rear diffuser device ... 13

Tabel 3.1 Parameter pengukuran dan perhitungan ... 33

Tabel 3.2 Jadwal Pelaksanaan Penelitian ... 45

Tabel 4.1 Hasil nilai Cp pada daerah diffuser dengan variasi c/L ... 51

DAFTAR SIMBOL

A = Luasan area (m2)

c = Jarak bodi ke lintasan (clearance), m

CD = Koefisien drag

CDt = Koefisien drag total

Cp = Koefisien tekanan

d = Panjang channeldiffuser (m)

f = Panjang diffuser (m)

FD = Gaya drag (N)

h = Tinggi model (m)

I = Penyelesaian persamaan integral dengan metode Simpson

L = Panjang model (m)

Pd = Tekanan dinamis (Pa)

Po = Tekanan stagnasi pada kontur lokal (Pa)

Pref = Tekanan statis pada kondisi free stream (Pa)

Ps = Tekanan statis pada kontur lokal (Pa)

Re = Reynolds number

s = Jarak antar channel/sirip (m)

u = Kecepatan lokal (m/s)

Umax = Kecepatan maksimum lokal (m/s)

U∞ = Kecepatan pada kondisi free stream (m/s)

v = Viskositas dinamik (kg/m.s)

w = Lebar model (m)

ρudara = Massa jenis udara (kg/m3)

ρkerosene= Massa jenis kerosene (kg/m3)

β = Sudut diffuser (0)

μ = Viskositas kinematik (kg/m.s)

Δh = Perbedaan ketinggian pada cairan kerosene di manometer (m)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Fenomena aliran fluida melalui suatu bodi merupakan fenomena yang sering kita temui dalam kehidupan. Dalam aplikasinya tidak hanya satu macam bentuk bodi yang dilewati oleh aliran fluida, namun terdapat berbagai macam model bodi yang direkayasa dan didesain sehingga sesuai dengan fungsi yang dibutuhkan. Bentuk bodi yang berbeda akan menghasilkan karakteristik aliran yang berbeda dan sangat berpengaruh terhadap fungsi dari bentuk bodi tersebut.

Aliran fluida yang melingkupi sebuah benda secara penuh akan menimbulkan tegangan pada benda tersebut, baik tegangan normal maupun tegangan geser. Tegangan normal disebabkan karena adanya tekanan dari fluida,

sedangkan tegangan geser timbul akibat adanya viskositas fluida. Jika ditinjau

pada aliran dua dimensi, aliran yang mengalir secara horizontal akan

menimbulkan gaya drag atau gaya hambat karena arah dari gaya ini berlawanan

dengan arah aliran, sedangkan aliran yang mengalir secara vertikal menimbulkan

gaya lift atau gaya angkat. Gaya drag sering dianggap mengganggu, namun dalam

situasi atau kondisi tertentu gaya drag sangat diharapkan. Pada pesawat terbang

gaya lift yang diharapkan adalah gaya lift positif atau gaya angkat ke atas,

sedangkan pada aplikasi mobil balap, gaya lift yang diharapkan adalah gaya lift

negatif agar mobil tetap stabil paa saat melaju di lintasan.

Gaya drag pada kendaraan terdiri dari dua jenis, yaitu frontal pressure

dan vacuum rear. Frontal pressure disebabkan oleh tekanan udara untuk aliran

disekitar bagian depan mobil. Jutaan molekul udara menghadang grill depan

mobil dan mengakibatkan tekanan udara di depan mobil meningkat. Sedangkan

vacuum rear atau rear end disebabkan oleh ruang yang terbentuk di udara saat kendaraan melaju dan dipengaruhi oleh kecepatan, sehingga menyerupai ruang hampa pada bagian belakang. Hal ini dapat terjadi karena molekul-molekul udara tidak dapat mengisi ruang tersebut akibat kendaraan melaju cepat, hasilnya terbentuklah ruang hampa pada daerah belakang yang selalu menghisap

berlawanan dengan arah laju kendaraan. Hal ini menjadi penting karena gaya yang diciptakan oleh ruang hampa ini jauh melebihi dengan gaya yang

diakibatkan tekanan di bagian depan mobil (frontal pressure). Dengan demikian

tentunya semakin besar dimensi suatu kendaraan maka semakin besar juga

frontal pressure dan vacuum rear yang terjadi.

Untuk dapat mereduksi problem dan implikasi-implikasi diatas, maka

diperlukan modifikasi geometri atau penambahan suatu body (device) pada

kenderaan tersebut. Dengan memodifikasi atau mendesain ulang geometri

diharapkan mampu menghasilkan gaya-gaya aerodinamis yang semakin kecil

sehingga penggunaaan bahan bakar dapat diminimalisir terutama pada kendaraan yang berdimensi besar seperti bus. Banyak penelitian telah dilakukan untuk

mendapatkan desain optimal dalam rangka mereduksi drag dan meningkatkan lift

negatif (downforce) yang terjadi, diantaranya adalah pengaturan sudut diffuser dan

penambahan diffusermulti-channel pada bagian belakang mobil. Namun, sampai

saat ini para peneliti belum menerapkan hal ini pada kendaraan jenis bus. Penelitian mengenai aliran fluida yang melewati berbagai bentuk bodi

mobil telah banyak dilakukan. Fletcher & Stewart [1] melakukan penelitian

tentang aerodinamika pada kenderaan jenis bus dengan model Denning Mono

Mark buatan Australia. Dalam rangka mereduksi gaya drag, pengujian ini

melakukan modifikasi pada bagian depan dan belakang bus dari model

standarnya. Penelitian ini berhasil mengurangi nilai koefisien drag total (CDt) dari

model standarnya yaitu 0,387 menjadi 0,287 (CDt dapat direduksi ± 25,8%).

Gurlek, dkk [2] dalam penelitiannya yang berjudul Particle Image Velocimetri (PIV) studies around a bus model telah melakukan simulasi tentang fenomena turbulensi yang terjadi di bagian belakang bus dengan metode PIV (Particle Image Velocimetri). Penelitian ini melakukan analisa intensitas

turbulensi melalui velocity vector maps (V), streamline (ψ) dan vorticity contours

(ω) dengan memvariasikan jarak bagian belakang bodi bus terhadap efek

turbulensi. Dari hasil simulasi yang telah dilakukan bahwa pada variabel N yang

merupakan fungsi dari kecepatan aliran semakin meningkat, maka efek turbulensi yang terjadi di bagian belakang kendaraan juga semakin tinggi. Selain itu,

variabel x/H dan y/H yang divariasikan juga memberikan hubungan yang relatif

terhadap efek turbulensi. Semakin kecil nilai x/H dan y/H, maka efek vorticity

atau turbulensi akan semakin besar.

Widodo & Karohmah [3] dalam penelitiannya yang berjudul “CFD based investigations into optimization of diffuser angle on rear bus body”,

melakukan kajian tentang variasi sudut diffuser yang diterapkan pada bagian

belakang kendaraan jenis bus. Model uji digambarkan secara 3D namun hanya setengah bagian saja dikarenakan bentuk yang simetris. Simulasi dilakukan dalam

kondisi steady dan dengan model turbulensi realizable k-epsilon. Hasil dari

simulasi ini menunjukkan bahwa peningkatan sudut diffuser menghasilkan

penurunan koefisien drag hingga sekitar 2.3%, sedangkan downforce meningkat

secara signifikan pada sudut diffuser 12o.

Jowsey & Passmore, [4] dalam jurnalnya yang berjudul “experimental study of multiple-channel automotive underbody diffusers” melakukan penelitian

tentang performa diffuser datar dan multiple-channel (2,3 dan 4 channel) dengan

variasi sudut antara 70 hingga 300 , dimana pada sisi kiri dan kanan diffuser dalam

kondisi tertutup. Dari eksperimen yang telah dilakukan dinyatakan lift minimum

secara umum terjadi pada diffuser dengan four-channel untuk semua variasi sudut.

Hal ini mengindikasikan bahwa semakin banyak channel yang terpasang maka

diffuser tersebut akan mengalami peningkatan downforce (lift negatif) yang terjadi.

Xingjun, dkk [6] melakukan penelitian tentang variasi sudut diffuser

pada mobil jenis sedan (00, 30, 60, 9.80, dan 120) dengan simulasi numerik.

Perubahan sudut diffuser ini memberikan pengaruh yang signifikan terhadap

gaya-gaya aerodinamis yang terjadi kendaraan tersebut. Ketika sudut diffuser

meningkat, kecepatan aliran pada bagian bawah kendaraan menjadi menurun dan

membentuk wake yang lebih besar pada bagian belakangnya dan begitu pula

sebaliknya. Hasilnya, nilai drag coefficient (CD) terkecil terjadi pada sudut 60

hingga 9,80 (CD = 0,2487 - 0,2673) sementara nilai lift coefficient (CL) terkecil

Dari penjelasan beberapa penelitian terdahulu diatas, penelitian ini

melakukan eksperimen dengan mengaplikasikan four-channel diffuser pada

sebuah model bus dengan Re = 6,67 x 105 untuk mengetahui dan menganalisa

karakteristik aliran yang terjadi di belakang bodi terkait dengan gaya-gaya

aerodinamis (drag dan lift) yang dihasilkan.

1.2 Perumusan Masalah

Perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana cara mereduksi

gaya drag, khususnya drag yang diakibatkan oleh efek vacuum rear pada bagian

belakang bus.

Jowsey & Passmore [4], menerapkan diffuser multi-channel (2,3, dan 4

channel) pada sebuah simplified model dengan menutup sisi kiri dan kanan

diffuser yang sejajar dengan tinggi bodi dan hasilnya terjadi peningkatan lift

negatif (downforce) pada four-channel diffusers, sementara Xingjun dkk [6]

melakukan simulasi variasi sudut diffuser dan hasilnya diffuser dengan sudut 60

hingga 9,80 memiliki koefisien drag yang lebih kecil.

Dari kesimpulan literatur diatas, maka penelitian ini dilakukan dengan

modifikasi bodi belakang bus dengan penambahan four-channel diffusers dimana

sudut diffuser yang digunakan adalah 80. Modifikasi ini dilakukan tanpa menutup

sisi kiri dan kanan diffuser sehingga diharapkan aliran dari samping kendaraan

dapat segera masuk dan bertemu aliran yang melewati four-channel diffusers.

Pertemuan kedua aliran ini diharapkan mampu menciptakan efek turbulensi yang

lebih besar sehingga dapat menjadi alat untuk memecah dan mereduksi wake atau

vacuum rear effect yang terbentuk pada bagian belakang bus. Selain itu, untuk

mendapatkan performa four-channel diffusers yang optimal, penelitian ini

memvariasikan ketinggian antara bodi bus dengan lintasan atau lebih dikenal

dengan ground clearance.

1.3 Batasan Masalah

Pada penelitian ini ada beberapa batasan masalah yang akan diberikan, karena dalam penelitian ini terdapat beberapa hal yang mungkin dapat diasumsikan untuk mempermudah proses pengujian dan pengambilan data.

Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah :

1. Fluida yang digunakan adalah udara. Aliran fluida bersifat incompressible,

viscous, dan aliran yang masuk pada test section adalah turbulen.

2. Model bus yang dibuat berdasarkan data geometri karoseri bus Daewoo

FX 212 buatan Korea sebagai referensi ukuran dengan perbandingan 1 : 26

untuk diuji dengan menggunakan wind tunnel (terowongan angin). Selain

itu, sudut diffuser yang digunakan adalah 8o serta menggunakan four

channeldiffusers dengan jarak antar channel yang konstan (s/L = 0,06).

3. Analisa secara khusus dilakukan hanya berdasarkan fenomena dan

karakteristik aliran yang terjadi pada bagian bawah dan belakang bus,

setelah dan sebelum dipasang four channeldiffusers serta pengaruh variasi

ketinggian ground clearance (c/L = 0,04 ; 0,05 ; 0,06).

4. Bilangan Reynolds yang digunakan adalah Re = 6,67 x 105.

5. Dalam penelitian ini, kemungkinan terjadi efek perpindahan panas akibat

gesekan fluida terhadap benda uji dapat diabaikan.

6. Pengaruh roda dari model bus pada saat pengujian diabaikan dan ground

dianggap tidak bergerak (statis).

1.4 Tujuan Penelitian

Penelitian ini secara umum bertujuan untuk menjelaskan fenomena aliran

yang terjadi pada belakang (rear body) kenderaan jenis bus akibat adanya

penambahan four channel diffusers dalam rangka mereduksi gaya drag serta

meningkatkan lift negatif (downforce) yang terjadi.

Sedangkan tujuan penelitian ini secara khusus adalah :

1. Secara kualitatif penelitian ini bertujuan untuk mengetahui profil

kecepatan aliran di bagian belakang bodi bus (x/L) pada posisi 105%

hingga 130% serta mengetahui besarnya intesitas turbulensi (IT) sebelum

dan setelah dipasang four channel diffusers dengan mevariasikan

2. Secara kuantitatif penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya distribusi tekanan (Cp) di sekeliling model (midspan) dan koefisien drag

pada model bus sebelum dan setelah dipasang four channeldiffusers pada

setiap variasi ground clearance.

1.5 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari peneltian ini adalah :

1. Memberikan gambaran secara kualitatif dan kuantitatif bagaimana

karakteristik aliran pada bagian belakang bodi sebelum dan setelah

dipasang four channeldiffusers.

2. Dapat menjelaskan pengaruh four channel diffusers dan variasi ketinggian

ground clearance terhadap koefisien tekanan (Cp), koefisien drag (CD),

serta intensitas turbulensi (IT) yang terjadi pada bagian belakang benda uji

(bus model).

3. Dapat memberikan kontribusi hasil penelitian terhadap perkembangan

dunia aerodinamika kendaraan, khususnya pada kendaraan jenis bus.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1Tinjauan Pustaka

Beberapa penelitian telah dilakukan terkait dengan aerodinamika

kendaraan khususnya jenis bus dalam rangka mereduksi gaya hambat (drag force)

yang dominan disebabkan oleh efek vorticity (pusaran) yang terjadi di bagian

belakang kenderaan atau lebih dikenal dengan vaccum rear effect. Hal ini menjadi

penting karena gaya yang diciptakan oleh ruang hampa ini jauh melebihi dengan

gaya yang diakibatkan tekanan di bagian depan mobil (frontal pressure).Untuk

itu ada beberapa riset yang dapat dijadikan referensi dalam menunjang penelitian ini, antara lain dapat dilihat pada Tabel 2.1 dibawah ini.

Tabel 2.1 Penelitian terdahulu

No. Judul Penelitian Peneliti

1. Bus drag reduction by the trapped vortex

for a single bus and two buses in tandem Fletcher & Stewart (1986)

2. Particle Image Velocimetri (PIV) studies

around a bus model

Cahit Gurlek, Besir Cahin & Gokturk Memduh Ozkan (2011)

3.

CFD based investigations into

optimization of diffuser angle on rear bus body

Widodo & Karohmah (2015)

4. Experimental Study of Multiple-Channel

Automotive Underbody Diffusers Jowsey & Passmore (2010)

5.

Actively Translating A Rear Diffuser Device for the Aerodynamic Drag Reduction of a Passenger Car

Kang, Jun, Park, Song, Kee, Kim, dan Lee (2012)

6. Influence of Different Diffuser Angle on

Sedan’s Aerodynamic Characteristics

Hua Xingjun, Zhanga Rui, Yeb Jian, Yanb Xu dan Zhaob Zhiming (2011)

Fletcher & Stewart [1] melakukan penelitian tentang aerodinamika pada kenderaan jenis bus dengan model Denning Mono Mark buatan Australia. Dalam

rangka mereduksi gaya drag, penelitian ini melakukan modifikasi pada bagian

depan dan belakang bus dari model standarnya, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.1 dibawah ini.

(a) (b)

Gambar 2.1 (a) Modifikasi bagian depan, (b) Modifikasi bagian belakang [1] Pengujian aerodinamika model ini dilakukan secara eksperimen dengan

menggunakan wind tunnel dengan kecepatan aliran 34,4 m/s dan Re = 1,4x106.

Hasil dari percobaan ini dapat dilihat pada Tabel 2.2 berikut :

Tabel 2.2. Hasil Pengujian Model Bus Denning Mono Mark

Dari hasil pengujian yang dilakukan dapat dilihat bahwa dengan memodifikasi bodi dari suatu kendaraan ke bentuk yang lebih aerodinamis akan

mengurangi gaya hambat (drag) yang terjadi pada kendaraan itu sendiri.

Penelitian ini berhasil mengurangi nilai koefisien drag total (CD) dari model

standarnya yaitu 0,387 menjadi 0,287 (CD dapat direduksi ± 0,1). Selain itu,

penelitian ini juga menganalisa tentang drag yang terjadi ketika dua buah bus

berjalan saling berurutan dimana celah (gap) yang ada diantara kedua bus tersebut

Gurlek, dkk [2] dalam penelitiannya yang berjudul Particle Image Velocimetri (PIV) studies around a bus model telah melakukan simulasi tentang fenomena turbulensi yang terjadi di bagian belakang bus dengan metode PIV (Particle Image Velocimetri). Penelitian ini melakukan analisa intensitas

turbulensi melalui velocity vector maps (V), streamline (ψ) dan vorticity contours

(ω) dengan memvariasikan jarak bagian belakang bodi bus terhadap efek

turbulensi seperti yang ditunjukkan Gambar 2.2 dibawah ini.

Gambar 2.2 Skema pengukuran PIV [2]

Dari simulasi yang dilakukan, maka didapatkan hasil visualisasi medan

aliran yang berbeda-beda di setiap variasi jarak x/H dan y/H seperti yang

diperlihatkan Gambar 2.3 berikut.

Gambar 2.3 Visualisasi hasil simulasi dengan PIV [2]

Dari hasil simulasi diatas dapat dilihat bahwa pada variabel N yang

merupakan fungsi dari kecepatan aliran semakin meningkat, maka efek turbulensi yang terjadi di bagian belakang kenderaan juga semakin tinggi. Selain itu,

variabel x/H dan y/H yang divariasikan juga memberikan hubungan yang relatif

terhadap efek turbulensi, dimana semakin kecil nilai x/H dan y/H, maka efek

vorticity atau turbulensi akan semakin besar.

Widodo & Karohmah [3] melakukan simulasi numerik tentang variasi

sudut diffuser yang diterapkan pada bagian belakang kendaraan jenis bus. Model

uji digambarkan secara 3D namun hanya setengah bagian saja dikarenakan bentuk

yang simetris. Simulasi dilakukan dalam kondisi steady dan dengan model

turbulensi realizable k-epsilon. Hasil dari simulasi ini (Gambar 2.4) menunjukkan

y/H

bahwa peningkatan sudut diffuser menghasilkan penurunan koefisien drag hingga

sekitar 2.3%, namun lift negatif (downforce) meningkat secara signifikan pada

sudut diffuser 12o.

Gambar 2.4 Grafik hasil simulasi (CD dan CL Vs Diffuser Angel) [3]

Disisi lain, peningkatan besar sudut diffuser akan memperkecil daerah pusaran

aliran (wake) pada bagian belakang kendaraan (Gambar 2.5). Hal ini dikarenakan

jika semakin besar sudut diffuser, maka distribusi tekanan di sisi belakang (rear)

akan semakin besar juga. Dengan demikian drag yang disebabkan oleh perbedaan

tekanan dapat diminimalisir.

AR -1 AR -1 AR -1 (a) (b) (c)

Jowsey & Passmore [4] dalam jurnalnya yang berjudul “experimental study of multiple-channel automotive underbody diffusers” melakukan penelitian

tentang performa diffuser datar dan multiple-channel dengan metode pengukuran

gaya dan tekanan pada kecepatan konstan 40 m/s. Hal ini bertujuan untuk

mengetahui besarnya lift dan drag yang terjadi disekitar diffuser. Model benda uji

diperlihatkan pada Gambar 2.6 dibawah ini.

(a) (b)

Gambar 2.6 (a) Model benda uji (b) Diffuser parameters [4]

Penelitian ini memvariasikan sudut diffuser (α) yaitu 7o hingga 30o dengan

selisih 3o untuk masing-masing pengujian. Selain itu, ketinggian ground

clearance (h1) terhadap panjang diffuser (N) yang dinotasikan dengan “AR”(Aspect Ratio) (dimana AR = 1+[N/h1]tan α) juga divariasikan pada penetian ini. Hasil dari pengujian ini dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikut.

Gambar 2.7 Kontur rasio CL/CD multiple channel diffuser (a) two-channel (b) three-channel (c) four-channel [4]

Dari Gambar 2.7 dapat dilihat lift minimum secara umum terjadi pada diffuser

dengan four-channel untuk semua variasi sudut. Hal ini mengindikasikan bahwa

channel yang terpasang pada diffuser dapat meningkatkan percepatan aliran pada

bagian bawah bodi kendaraan, sehingga distribusi tekanan pada daerah diffuser

semakin menurun.

Kang, dkk [5] melakukan penelitian tentang simulasi penambahan sirip

pada bagian diffuser mobil yang dapat dikontrol sesuai dengan laju kendaraan.

Alat ini dinamakan actively rear diffuser device yang bertujuan untuk mereduksi

drag yang terjadi di bagian belakang kendaraan akibat perbedaan tekanan. Bentuk

device tambahan ini diperlihatkan pada Gambar 2.8 berikut.

Gambar 2.8 Actively rear diffuser device [5]

Penelitian ini juga memvariasikan dimensi actively rear diffuser dan

kecepatan aliran guna mengetahui kefektifan device tersebut dalam mereduksi

drag. Ada 7 buah variasi dimensi yang dilakukan pada simulasi seperti

ditunjukkan pada Tabel 2.3.

Dari simulasi yang dilakukan maka didapat hasil berupa grafik Cp dari

model standard/baseline maupun dengan menggunakan actively rear diffuser

device seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9.

(a)

(b)

Gambar 2.9 Grafik hubungan nilai Cp terhadap panjang karakteristik model (a)

standard model (b) standard model dengan actively rear diffuser device [5]

Dari grafik diatas dapat dilihat nilai Cp pada bagian belakang mobil

meningkat setelah dipasang actively rear diffuser device. Hal ini menunjukkan

bahwa dengan bertambahnya nilai Cp, maka drag yang terjadi pada bagian

belakang mobil akibat perbedaan tekanan (pressure drag) dapat dikatakan

semakin berkurang.

Xingjun, dkk [6] Dalam jurnalnya yang berjudul influence of different diffuser angle on sedan’s aerodynamic characteristics menunjukkan bagaimana

pengaruh beberapa variasi sudut diffuser terhadap karakteristik aliran yang

Gambar 2.10 Variasi sudut diffuser pada bagian belakang mobil [6]

Dalam menganalisa karakteristik aliran yang terjadi penelitian ini

menggunakan metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Hasil yang

diharapkan adalah bagaimana pengaruh sudut diffuser tersebut terhadap besarnya

gaya drag dan gaya lift yang terjadi.

Berdasarkan grafik hubungan antara sudut diffuser dengan total drag dan

lift yang dihasilkan (Gambar 2.11), maka dapat dilihat bahwa koefisien drag (CD) terkecil berada pada sudut 60 sementara koefisien lift (CL) terkecil berada pada

sudut 120.

Gambar 2.11 Grafik hubungan sudut diffuser terhadap koefisien drag dan lift [6]

2.2 Dasar Teori

2.2.1 Konsep Lapisan Batas (Boundary Layer), Separasi Aliran dan Intensitas Turbulensi

2.2.1.1 Lapisan Batas (Boundary Layer)

Secara defenisi, lapisan batas adalah sebuah lapisan yang terbentuk pada benda yang terendam yang dipengaruhi oleh efek viskos, sementara aliran yang

berada diluar lapisan batas (boundary layer) dapat dikatakan aliran inviscid,

Munson [7]. Aliran inviscid merupakan aliran fluida yang tidak mengalami gesekan, konduktivitas panas dan difusi massa.

Diffuser angel (0₎ T ot al dr ag a nd l if t co ef fi ci ent

Apabila aliran fluida seragam tak mampu mampat (incompressible fluid)

mendekati permukaan sebuah benda dengan kecepatan upstream (Uo), maka

ketika itu fluida akan mengalami tegangan geser yang cukup besar terhadap permukaan benda tersebut. Tegangan geser yang besar ini disebabkan oleh efek viskos dari fluida itu sendiri, sehingga partikel-partikel fluida terhambat oleh gesekan viskos. Daerah dimana fluida mengalami hambatan ini disebut lapisan

batas dan ketebalannya dinyatakan dengan δ.

Boundary layer dapat dibedakan menjadi dua bagian, yaitu laminar boundary layer dan turbulent boundary layer yang tergantung pada besarnya bilangan Reynolds. Proses peralihan dari laminar ke turbulen disebut keadaan transisi. Faktor yang mempengaruhi lamanya proses transisi adalah gradien

tekanan, kekasaran permukaan, gaya bodi (body force) dan gangguan aliran bebas.

Proses pembentukan lapisan batas pada sebuah pelat datar dapat dilihat pada Gambar 2.12 dibawah ini.

Gambar 2.12 Konsep boundary layer pada pelat datar [7]

2.2.1.2 Separasi Aliran

Separasi adalah sebuah kondisi dimana aliran udara yang mengalir di sepanjang permukaan benda tidak mampu lagi menempel pada permukaan tersebut. Separasi aliran berakibat pada terbentuknya aliran balik disekitar benda. Aliran yang sedang bergerak maju secara teratur akan terpecah saat terjadinya separasi dan mengakibatkan penurunan distribusi tekanan dan menimbulkan gaya

drag. Fenomena ini dapat dijelaskan secara visual seperti yang dialami permukaan

Gambar 2.13 diatas menunjukkan adanya separasi aliran merupakan bentuk efek viskos dari fluida. Karena adanya efek viskos, fluida pada titik s di permukaan silinder kehilangan energi kinetik sehingga tidak memiliki momentum

yang cukup untk mengalir dalam lapisan batas menuju titik n. Titik s adalah titik

dimana terjadinya separasi aliran, sementara pada titik l menuju n terjadi aliran balik karena perbedaan kecepatan yang tinggi antara daerah olakan dengan lapisan batas.

Pada kendaraan, separasi aliran yang terjadi begitu kompleks jika dianalisa

dari keseluruhan bagian bodi kendaraan itu sendiri. Namun, Hucho [8]

menyimpulkan bahwa perbedaan tekanan antara bagian depan dan bagian belakang kendaraan merupakan kontributor utama dari keseluruhan drag yang

terjadi. Hal ini dikarenakan adanya separasi aliran pada bagian belakang (rear

body) yang memicu terbentuknya wake (pusaran) sehingga distribusi tekanan

menjadi sangat rendah pada daerah tersebut. Oleh sebab itu, pengembangan desain kendaraan yang mampu meminimalisir separasi aliran yang terjadi sangat diperlukan.

2.2.1.3 Intensitas Turbulensi

Turbulensi adalah gerakan partikel yang sangat tidak teratur dalam suatu aliran fluida yang sulit untuk diperkirakan gerakannya. Turbulensi dapat dianggap sebagai aliran fluida yang berfluktuasi dan merupakan parameter yang penting untuk dianalisa khususnya dalam dunia aerodinamika kendaraan. Turbulensi aliran dapat dinyatakan sebagai intensitas turbulensi. Parameter ini bertujuan untuk mengkarakterisasi kondisi turbulen yang terjadi pada sebuah bodi yang

dialiri fluida dalam bentuk persentase (%). Persamaan intensitas turbulensi (IT) dapat ditulis : IT = ̅

100% (2.1)

u' =

√

̅ (2.2) dimana :

Un : Kecepatan pada waktu tertentu (m/s)

2.2.2 Fenomena Aerodinamika Pada Kendaraan

Aerodinamika memiliki ruang lingkup aplikasi yang luas terutama di bidang teknik penerbangan, perancangan mobil, prediksi gaya-gaya yang terjadi pada kapal serta pada bidang teknik sipil seperti dalam desain bangunan dan jembatan. Ketika objek bergerak melalui udara, terdapat gaya yang dihasilkan oleh gerakan relatif antara udara dan permukaan bodi atau lebih dikenal dengan

drag dan lift. Secara sederhana komponen gaya-gaya tersebut dapat dijelaskan

pada Gambar 2.14 dibawah ini.

Pada Gambar 2.14 komponen gaya searah sumbu x negatif merupakan

gaya hambat (drag), sedangkan dalam arah sumbu y negatif adalah gaya angkat

(lift). Pertimbangan kedua gaya tersebut sangat penting dalam desain

kendaraan darat dikarenakan gaya aerodinamika tersebut akan memberikan beban tambahan pada mesin kendaraan yang berasal dari gaya tahanan terhadap

𝑈̅ : Kecepatan rata-rata (m/s)

u’ : Standar deviasi fluktuasi

kecepatan (m/s)

angin. Jika suatu kendaraan melaju pada kecepatan konstan pada jalan datar, kendaraan tersebut a k a n mengalami dua gaya yang menghambat gerak

lajunya yaitu rolling resistance (terkait dengan gesekan roda kenderaan terhadap

jalan) dan aerodynamics resistance (terkait dengan gaya-gaya aerodinamis).

Penjumlahan antara rolling resistance dan aerodynamics resistance disebut

dengan beban jalan (road load). Mesin kendaraan harus secara terus-menerus

menyediakan daya untuk mengatasi beban jalan tersebut. Daya tersebut merupakan hasil perkalian dari beban jalan dengan kecepatan kendaraan. Pada Gambar 2.15 memperlihatkan variasi dari daya beban jalan terhadap kecepatan

kendaraan untuk suatu kendaraan truk trailer (trailer truck), Gerhart [9].

Gambar 2.15 Variasi daya beban jalan terhadap komponen kecepatan [9]

Daya yang terbuang akibat rolling resistance mendekati linier terhadap

kecepatan, sedangkan daya aerodynamics resistance bervariasi terhadap pangkat

tiga kecepatan (koefisien tahanan mendekati konstan). Kurva dari kedua daya hambat ini saling berpotongan (masing-masing berkontribusi sama pada

beban jalan) pada suatu kecepatan antara sekitar 50 mph (80 km/h) dan 60 mph

(96 km/h). Di atas kecepatan ini, daya yang dibutuhkan untuk mengatasi tahanan

aerodinamika meningkat secara cepat dan menjadi faktor pengontrol dalam kecepatan kendaraan, Gerhart [9].

2.2.3 Gaya Hambat (Drag Force)

Gaya hambat (drag force) merupakan jumlah semua gaya eksternal yang

melawan arah gerak objek dan memiliki posisi sejajar dengan aliran bebas. Drag

permukaan benda dan beda tekanan. Drag karena gesekan disebut skin friction

drag yang tergantung kepada besar permukaan yang bersentuhan dengan fluida,

tegangan geser, viskositas, gradien kecepatan, kekasaran permukaan dan

streamline body. Sedangkan drag akibat perbedaan tekanan disebut form drag

atau lebih dikenal dengan pressure drag, yang tergantung pada bentuk, ukuran,

distribusi tekanan, wake, bilangan Reynolds (Re) dan bluff body dari benda yang

dikenakan aliran, Munson [7]. Drag yang disebabkan oleh perbedaan tekanan

merupakan komponen yang paling besar dalam memberikan pengaruh terhadap

drag total pada kendaraan yang disebabkan oleh separasi aliran pada bagian

belakang. Pressure drag yang terjadi pada kendaraan secara umum diakibatkan

oleh dua hal, yaitu :

a. Frontal pressure

Frontal pressure disebabkan oleh tekanan udara yang terjadi pada bagian

depan mobil. Jutaan molekul udara menghadang grill depan mobil dan

mengakibatkan tekanan udara di depan mobil meningkat. Pada saat yang sama, molekul udara yang bertekanan ini akan mencari jalan keluar di sekitar sisi atas dan bawah mobil. Berikut merupakan profil aliran pada bagian depan mobil (Gambar 2.16).

Gambar 2.16 Frontal pressure pada kendaraan [10]

b. Vacuum rear

Vacuum rear atau rear end disebabkan oleh ruang yang terbentuk di udara saat kendaraan melaju pada kecepatan tertentu, sehingga menyerupai ruang hampa pada bagian belakang kendaraan (Gambar 2.17). Hal ini dapat terjadi karena molekul-molekul udara tidak dapat mengisi ruang tersebut disebabkan kendaraan melaju terlalu cepat, hasilnya terbentuklah ruang hampa pada bagian belakang yang bersifat seperti menghisap/menarik dari arah laju kendaraan.

(2.4)

Gambar 2.17 Vacuum rear pada kendaraan [10]

Hal ini menjadi penting karena drag yang diciptakan oleh ruang hampa ini

jauh melebihi dengan drag yang disebabkan oleh frontal pressure. Oleh karena

itu, banyak penelitian yang dilakukan untuk mereduksi daerah vakum ini

diantaranya dengan menambahkan diffuser pada bagian belakang kendaraan.

Melalui penjelasan pada Gambar 2.14 sebelumnya, drag force (FD)

merupakan komponen gaya yang sejajar dengan aliran free stream, sehingga

secara matematis dapat ditulis :

∫ ∫ (2.3)

sedangkan untuk koefisien drag (CD) ditentukan oleh perbandingan antara

gaya drag dengan tekanan dinamik yang ditunjukkan pada persamaan 2.9

berikut.

dimana ; CD = Koefisien drag

FD = Gaya hambat/drag (N)

ρ = Densitas fluida (kg/m3)

A = Luasan acuan (m2)

U∞ = Kecepatan fluida relatif terhadap obyek (m/s)

Koefisien drag secara total juga dapat diperoleh melalui perbedaan

momentum aliran sebelum dan sesudah melewati benda uji atau model. Parameter ini lebih dikenal dengan drag total coefficient (CDt) dan dapat ditulis :

dy U y u L C a el t D



                0 2 mod ) ( 1 4 (2.5) 𝐶𝐷 𝐹_𝐷 1 2 𝜌𝑈∞2𝐴

(2.8) (2.7) (2.6)

dimana u(y) merupakan kecepatan yang diukur ke arah sumbu y dan U∞ adalah

kecepatan free stream serta L merupakan panjang dari model atau benda uji.

Untuk menyelesaikan integrasi pada persamaan 2.5 digunakan metode numerik

aturan Simpson 1/3 segmen berganda yang dirumuskan sebagai berikut.

 

 

 

                          rata rata Tinggi n n i n j n x f j x f i x f o x f lebar a b I                3 1 5 , 3 , 1 2 6 , 4 , 2 2 4 ) ( dimana :

b – a = Lebar atau rentang data

f(x0) = Data pertama dan f(xn) = data terakhir

n = jumlah data

f(xi) adalah perkalian dari fungsi data gasal dimana i = 1,3,5 …, n-1.

f(xj) adalah perkalian dari fungsi data genap dimana j = 2,4,6 …, n-2.

Dengan demikian, CDt dapat disederhanakan menjadi :

Parameter lain yang mempengaruhi gaya-gaya aerodinamika pada suatu obyek adalah bilangan Reynolds. Persamaan bilangan Reynolds adalah bilangan tak berdimensi yang menunjukkan kepentingan efek inersia dan efek viskos dalam gerakan fluida. Bilangan Reynolds dapat diformulasikan sebagai berikut.

dimana ; U∞ = Kecepatan free stream, (m/s)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

L = Panjang karakteristik (m)

μ = Viskositas kinematik (kg/m3)

ν = Viskositas dinamik (kg/m.s)

Selain itu, untuk mengetahui distribusi tekanan pada permukaan benda uji,

maka dilakukan perhitungan nilai koefisien tekanan (Cp). Distribusi tekanan pada

model dapat menggambarkan seberapa besar pengaruh gaya-gaya aerodinamika yang bekerja pada setiap sisi dari model atau benda uji itu sendiri. Parameter ini

(2.9) merupakan selisih antara tekanan statis lokal dengan tekanan aliran bebas dibagi dengan tekanan dinamis atau dapat dituliskan sebagai berikut :

dimana ; 1/2 ρ U∞2 = Tekanan dinamis aliran bebas, (Pa)

Ps = Tekanan statis pada kontur lokal (Pa)

P∞ = Tekanan statis aliran bebas (Pa) ;

ρ = Densitas fluida (kg/m3) 2.2.3 Diffuser pada kendaraan

Diffuser merupakan salah satu komponen penting dalam aerodinamika

kendaraan khususnya pada mobil. Tujuan utama digunakannya diffuser pada

sebuah mobil adalah untuk “merapikan” aliran udara yang bergerak di bagian bawah mobil dengan mengendalikan aliran transisi dari yang berkecepatan tinggi (yang dilalui mobil saat melaju kencang) dengan udara bebas di atmosfer. Semakin cepat udara mengalir, maka semakin rendah tekanan udara yang ada di

bawah mobil dan hal itu membuat mobil mendapatkan downforce yang tinggi.

Azizi [10].

Gambar 2.18 Diffuser multi-channel pada mobil [10]

Disisi lain, dengan seiringnya perkembangan teknologi di bidang

automotive, beberapa penelitian mencoba memodifikasi bagian diffuser dengan

menambahkan body seperti sirip-sirip atau lebih dikenal dengan diffuser channels

(Gambar 2.18). Dengan keberadaan device ini ternyata memicu perubahan

karakteristik aliran baik pada bagian bawah maupun pada bagian belakang kendaraan. Fenomena aliran yang terjadi memperlihatkan kecepatan udara di

bagian bawah mobil meningkat dan daerah wake yang terbentuk di bagian belakang mengalami penyempitan. Hal ini membuktikan dengan adanya

penambahan device tersebut membawa pengaruh besar terhadap gaya-gaya

aerodinamika yang bekerja, khususnya drag dan lift pada saat kendaraan melaju

dengan kecepatan tinggi.

2.2.4 Wind Tunnel (Terowongan Angin)

Terowongan angin (wind tunnel) adalah peralatan yang digunakan untuk

melakukan pengujian aerodinamika terhadap sebuah model, seperti airfoil, mobil,

blade turbin angin dan lain-lain. Aliran udara akan diserap masuk melalui bagian

intake contraction oleh fan yang digerakkan oleh motor. Model ditempatkan

dibagian test section. Selanjutnya udara yang masuk ke dalam terowongan angin

akan dikeluarkan melalui diffuser. Dengan demikian ukuran model dibatasi

ukuran test section, dimana semakin besar ukuran test section maka semakin besar

pula ukuran model yang bisa ditempatkan. Ada dua tipe dasar wind tunnel, yaitu

open-circuit wind tunnel dan closed-circuit wind tunnel . Tipe open-circuit wind tunnel tidak memiliki pengarah balik udaranya dapat dilihat pada Gambar 2.19a.

Setelah udara meninggalkan diffuser, udara tersebut terlepas langsung ke udara

bebas. Dengan kata lain, apabila tunnel mengambil udara langsung dari atmosfer,

maka udara yang diambil adalah udara segar yang baru. Sedangkan pada tipe

closed-circuit wind tunnel udara yang keluar dari diffuser diarahkan kembali

untuk masuk ke entrance cone dan terus menerus disirkulasikan (Gambar 2.19b),

Muchammad [12].

(a) (b)

Gambar 2.19 (a) Open-circuit wind tunnel (b) Close-circuit wind tunnel [12]

Dalam simulasi wind tunnel, model diasumsikan diam dan udara bergerak dengan

bergerak dan udara relatif diam. Itu sebabnya aliran udara dalam test section

terowongan angin harus memenuhi persyaratan tertentu. Udara yang bergerak dalam seksi uji harus homogen secara lateral, longitudinal dan vertikal baik kecepatan, tekanan statik, angularitas maupun intensitas turbulensinya. Oleh

karena itu, kecepatan udara homogen yang mampu dihasilkan di seksi uji wind

tunnel juga menjadi salah satu ukuran kinerja dari peralatan ini. Untuk wind tunnel kecepatan rendah (subsonic) umumnya mampu menghasilkan kecepatan 5

m/s hingga 80 m/s. Dalam pengujian ini, jenis wind tunnel yang digunakan adalah

subsonic wind tunnel dikarenakan kecepatan maksimalnya hanya 18 m/s dengan

bilangan Mach (Mach number) berkisar 0.01.

BAB III

METODE PENELITIAN

Pada penelitian ini, benda uji (bus model) yang dibuat berdasarkan data

geometri karoseri bus Daewoo FX 212 buatan Korea (Gambar 3.1a) sebagai

referensi ukuran (dalam satuan mm) dengan perbandingan 1 : 26 untuk dapat diuji

dengan menggunakan wind tunnel seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.1b.

Pemilihan jenis bus ini dilakukan karena perusahaan karoseri tersebut mendeskripsikan dimensi bus secara jelas dalam gambar 2D, sehingga memudahkan peneliti dalam membuat skala pemodelan dalam penelitian ini.

(a)

(b)

Gambar 3.1 (a) Dimensi dan bentuk Bus Daewoo FX 212, (b) Bus model dengan skala 1 : 26

Untuk melaksanakan penelitian ini, ada beberapa tahapan yang akan dilakukan untuk mewujudkan tujuan yang telah ditetapkan sebelumnya dengan menggunakan kajian secara eksperimental. Rancangan percobaan pada penelitian ini dibagi menjadi rancangan percobaan penelitian pendahuluan dan rancangan

itu, di dalam melakukan pengukuran terdapat dua metode yang digunakan, yaitu

pengukuran secara langsung (direct measurement) dan pengukuran tak langsung

(indirect measurement). Metode direct measurement yaitu hasil pengukuran

langsung dipresentasikan atau dibaca, sedangkan pengukuran indirect

measurement yaitu diperlukan suatu proses lebih lanjut untuk penjabaran atu interpretasi dan penalaran terhadap hasil pengukuran. Adapun tahapan-tahapan penelitian adalah sebagai berikut:

3.1 Skema Pengujian

Pada tahapan ini dilakukan pemodelan sistem penelitian yang akan

dilakukan seperti Gambar 3.2. Posisi benda uji (bus model) diletakkan tepat

ditengah test section dengan bantuan pelat datar. Bilangan Reynolds pada

pengujian ini adalah Re = 6,7x105 dengan kecepatan aliran 18 m/s atau 68 km/h.

SIDE VIEW Inlet outlet U∞, ρ, ν (a) (b)

Gambar 3.2 Skema pengujian (a) Tampak samping (b) Tampak belakang 560 mm

Pengukuran profil kecepatan pada bagian belakang model dilakukan dalam

rentang 105% hingga 130% dari panjang model (L) dengan pergeseran

masing-masing sebesar 5 mm kearah sumbu y positif. Titik awal pengukuran dimulai pada

x/L = 105% atau yang berjarak 14 mm dari bodi belakang model seperti yang

ditunjukkan oleh Gambar 3.3 dibawah ini.

3.2 Benda Uji, Peralatan dan Alat Ukur Pengujian 3.2.1 Benda Uji (bus model)

Benda uji dibuat dengan bahan akrilik (tebal 2 mm) dengan dimensi panjang (L) 480 mm, lebar (w) 99,60 mm dan tinggi (h) 140 mm serta sudut

diffuser (β) yang digunakan adalah 80 (Gambar 3.2a). Pada penetian ini, pressure

tap dipasang pada bagian midspan dari model dengan jarak 20 mm (Gambar 3.4)

yang bertujuan untuk mengetahui besarnya tekanan statik pada permukaan (wall).

Selain itu, pengujian ini menggunakan bantuan pelat datar yang juga terbuat dari bahan akrilik (tebal 10 mm) sebagai tempat dimana model diletakkan, sementara

bentuk modifikasi bus model menggunakan diffuser dengan 4 channel akan

dipasang setelah data model standarnya didapat.

Gambar 3.4 Bus model dan pelat datar

3.2.2 Peralatan Pengujian

Penelitian ini menggunakan wind tunnel jenis open circuit untuk menguji

karakteristik aerodinamika dari suatu obyek dalam skala model, dimana udara

yang dialirkan ke dalam test section langsung dilepas ke udara bebas. Hal ini

disebabkan pengukuran sebenarnya cukup sulit dan membutuhkan biaya yang

mahal. Oleh karena itu, wind tunnel dibuat dengan kondisi yang mendekati

kenyataan sehingga hasil yang didapatkan cukup akurat. Wind tunnel ini

digolongkan sebagai subsonic wind tunnel karena kecepatan udaranya maksimal

18m/s dengan Mach number kurang dari 0,1. Secara keseluruhan skema dan

dimensi wind tunnel yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.4.

Spesifikasi Wind Tunnel

 Jenis : Open circuitwind tunnel

 Test section : Penampang persegi panjang (Panjang = 1780 mm ; Lebar = 660 mm ; Tinggi = 660 mm)

3.2.3 Peralatan Pendukung & Alat Ukur Penelitian

Alat ukur digunakan untuk mengukur tekanan statis dan tekanan stagnasi.

Pada penelitian ini alat yang digunakan adalah pressure tap, pitot static tube, dan

pressure tranducer. Sedangkan untuk pembacaan dan penampilan hasil data

digunakan data logger.

a. Wall pressure tap

Wall pressure tap merupakan peralatan pendukung yang terdiri dari sejumlah lubang-lubang kecil berdiameter 1 mm yang terpasang di sepanjang

kontur bodi benda uji seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4. Pressure

tap ini berfungsi untuk mengukur besar tekanan di sepanjang permukaan

benda uji dan dinding datar dengan menghubungkan setiap pressure tap ke

pressure tranducer.

b. Pitot Static Tube

Alat ini berfungsi untuk mengukur besarnya tekanan statis dan tekanan

stagnasi aliran. Pada penelitian ini, pitot static tube (Gambar 3.6) digunakan

pada saat validasi yang nantinya akan digunakan untuk mengukur velocity

profile.

Gambar 3.6 Pitot static tube Pitot static tube

c. Pressure Tranducer, Data Logger, dan Inclined Manometer  Pressure tranducer

Alat ini berfungsi untuk mengubah nilai tekanan yang terukur oleh

pitot static tube dan pressure tap menjadi nilai arus listrik dalam satuan

voltase (V).

Cara kerja pressure tranducer adalah sebagai berikut :

Pressure tranducer (Gambar 3.7a) bekerja dengan cara mengkonversi tekanan fluida menjadi sinyal elektrik. Tekanan yang diukur

menggunakan pitot static tube akan dihubungkan oleh selang plastik

berukuran D = 2 mm, setelah itu tekanan tersebut akan diubah menjadi

voltase oleh pressure tranducer. Dari pressure tranducer data yang telah

diambil akan diolah pada satu titik pengukuran oleh data logger, hasil

yang akan diberikan oleh data logger berupa tampilan digital dengan satu

voltase (V). Pressure tranducer yang digunakan pada penelitian ini memiliki spesifikasi sebagai berikut :

Model : PX653-03D5V Range : ± 3” WC Akuracy : PER/SPEC Output : 1 – 5 VDC Supply : 12 – 36 VDC Serial number : X11450118  Data logger

Data logger (Gambar 3.7b) berfungsi untuk membaca hasil data dari

pressure tranducer dan mengolah nilai rata-rata data dari 500 kali pengambilan pada satu titik pengukuran dan memvisualisasikan hasilnya

kedalam tampilan digital dengan satuan Voltase (V).

 Inclined manometer

Alat ini berfungsi untuk membaca Δh terukur sebagai akibat dari

perbedaan tekanan lokal dengan tekanan atmosfer. Manometer yang

digunakan pada proses pembandingan adalah manometer berisi kerosene

Gambar 3.7 (a) Pressure tranducer (b) Data logger (c) Inclined manometer

d. Termometer

Termometer berfungsi untuk mengukur temperatur ruangan pada saat dilakukan proses pengambilan data. Data temperatur ini menentukan massa

jenis udara (ρudara) pada saat proses pengambilan data seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 3.8.

Gambar 3.8 Termometer

3.3 Parameter Pengujian

Parameter-parameter penelitian yang terdiri dari proses pengukuran secara langsung dan perhitungan dapat dilihat pada Tabel 3.1 dibawah ini.

Tabel 3.1 Parameter pengukuran dan perhitungan

No. Paramater yang diukur Paramater yang dihitung

1. Panjang bus model, L (m) Massa jenis fluida, ρ (kg/m3)

2. Tinggi bus model, h (m) Viskositas fluida, μ (N.s/m2)

3. Lebar bus model, w (m) Kecepatan freestream fluida

pada sisi inlet, U∞ (m/s)

4. Panjang diffuser channel, d (m) Coef.drag pada bus model, CD

5. Jarak pelat datar dengan dinding

atas (upper wall), H (m)

Kecepatan lokal, u (m/s)

6.

Jarak pelat datar dengan dinding

7. Jarak antara pelat datar terhadap

model (ground clearance), c (m)

Distribusi tekanan pada midspan model dan pelat datar, Cp

8. Jarak pressure tap pada midspan

bus model, k (m)

Tekanan dinamis, Pd(Pa)

9. Jarak antara blade pada diffuser

channel, s (m)

Tekanan statis, Ps(Pa)

10. Sudut diffuser, β (o) Tekanan stagnasi, Po(Pa)

11. Temperatur kerja, T (0C)

12. Δh pada manometer, (m)

13. Voltase pada data logger,V (Volt)

Pada penelitian ini, analisa dimensi diperlukan untuk mengetahui apakah suatu parameter berpengaruh terhadap suatu eksperimen. Hubungan antara parameter yang saling mempengaruhi ditunjukkan dalam bentuk

parameter-parameter tanpa dimensi. Metode analisa ini dikenal dengan Buckingham Phi

Theorem.

3.3.1 Analisa Grup tak berdimensi untuk Koefisien Drag pada bus model

Gaya drag yang terjadi di sekeliling model bus dipengaruhi oleh beberapa

parameter, sehingga secara matematik dapat dituliskan sebagai berikut :

FD = f1 (ρ, μ, U∞, L, h, w, k, c, s, β) (3.1)

Dengan menggunakan “Buckingham Phi Theorema” dengan parameter berulang

ρ, U∞, dan L, diperoleh 9 grup tak berdimensi yaitu :

1. (koefisien drag)

2. (bilangan Reynolds)

3. (rasio jarak pelat datar terhadap model/ground clearance)

4. (rasio lebar model terhadap panjang model)

5. (rasio tinggi model terhadap panjang model)

6. (rasio jarak diffuser channel terhadap lebar model)

7. (rasio jarak pressure tap terhadap panjang model)

8. (rasio antara velocity profile terhadap panjang model)

Hubungan antara grup tak berdimensi sebagai berikut :

( , , , , , , , ) (3.2)

( , , , , , , , ) (3.3)

Pada penelitian ini, variabel , , , , , dinyatakan sebagai variabel

tetap, sedangkan rasio jarak pelat datar terhadap bus model (c/L) atau lebih

dikenal dengan ground clearance serta rasio jarak profil kecepatan aliran dengan

panjang model (x/L) divariasikan. Hal ini dilakukan untuk mengetahui seberapa

besar pengaruh variasi dari kedua variabel tersebut terhadap koefisien drag (CD)

pada benda uji (bus model). Dengan demikian, persamaan (3.3) dapat ditulis :

( , ) (3.4)

( , ) (3.5)

3.3.2 Analisa Grup tak berdimensi untuk Koefisien Tekanan pada bus model

Distribusi tekanan yang terjadi di sekeliling model bus dipengaruhi oleh beberapa parameter, sehingga secara matematik dapat dituliskan sebagai berikut :

Δp = f3 (ρ, μ, U∞, L, h, w, k, c, s, β) (3.6)

Dengan menggunakan “Buckingham Phi Theorema” dengan parameter berulang

ρ, U∞, dan L, diperoleh 9 grup tak berdimensi yaitu :

1. (koefisien tekanan)

2. (bilangan Reynolds)

3. (rasio jarak pelat datar terhadap model/ground clearance)

4. (rasio lebar model terhadap panjang model)

5. (rasio tinggi model terhadap panjang model)

6. (rasio jarak diffuser channel terhadap lebar model)

7. (rasio jarak pressure tap terhadap panjang model)

8. (rasio antara velocity profile terhadap panjang model)

Hubungan antara grup tak berdimensi sebagai berikut :

( , , , , , , , ) (3.7) ( , , , , , , , ) (3.8)

Pada penelitian ini, variabel , , , , , dinyatakan sebagai variabel

tetap, sedangkan rasio jarak pelat datar terhadap bus model (c/L) atau lebih

dikenal dengan ground clearance serta rasio jarak profil kecepatan aliran dengan

panjang model (x/L) divariasikan. Hal ini dilakukan untuk mengetahui seberapa

besar pengaruh variasi dari kedua variabel tersebut terhadap koefisien drag (CD)

pada benda uji (bus model). Dengan demikian, persamaan (3.8) dapat ditulis :

( , ) (3.9)

( , ) (3.10)

3.4 Langkah Kerja

3.4.1 Proses Validasi Pengukuran Manometer dan Pressure Tranducer

Untuk keakuratan data, maka dilakukan validasi pengukuran antara data

hasil pengukuran dengan pressure tranducer dan data hasil pengukuran dengan

manometer. Adapun langkah kerja yang akan dilakukan adalah sebagai berikut.

1. Mempersiapkan peralatan dan alat ukur yang digunakan, meliputi sonic

wind tunnel, pitot static tube, pressure tranducer, data logger, selang

bercabang, manometer dan termometer.

2. Memposisikan pitot static tube agar terletak tepat di titik tengah test

section dari wind tunnel dengan arah tegak lurus arah aliran menghadap pada inlet wind tunnel.

3. Menyambung salah satu ujung masing-masing selang bercabang pada

lubang output stagnasi dan lubang output statis dari pitot static tube

kemudian masing-masing ujung lainnya ke manometer dan pressure

tranducer. Selang bercabang inilah yang menghubungkan pitot static tube

ke manometer dan pressure tranducer (Gambar 3.9).

4. Mengukur temperatur kerja ruangan dan mencatatnya dalam tabel

5. Membaca nilai awal ketinggian kerosene oil manometer dan nilai awal

pressure tranducer.

6. Menghidupkan fan wind tunnel pada putaran 100 rpm dengan waktu

tunggu 20 detik.

7. Membaca Δh yang terukur pada manometer dan mencatatnya dalam tabel

perhitungan.

8. Membaca output pressure tranducer yang sudah diambil nilai rata-rata

dari 500 kali per detik pengambilan data pada satu titik melalui data

logger. Data yang terbaca berupa nilai voltase dalam satuan Volt (V) yang kemudian dicatat dalam tabel perhitungan.

9. Mengubah putaran fan wind tunnel dengan kenaikan 100 rpm tanpa

mematikan fan wind tunnel.

10.Mengulangi langkah pada poin 6 sampai 9 sampai putaran 1500 rpm.

11.Mematikan fan wind tunnel.

12.Data Δh dari manometer diproses dalam perhitungan sampai menghasilkan

data tekanan dan kec